叶柄天

叶柄天

北京大学物理学院光学所
助理教授，研究员

研究兴趣

我的研究主要围绕原子分子光物理、量子信息科学和凝聚态物理中的交叉问题展开。具体来说，我主要关注可控量子多体系统中的动力学过程、非平衡相等现象，以及这些动力学如何服务于量子传感、量子计算和量子模拟等量子技术。

量子传感与量子增强精密测量

量子传感的核心问题是如何利用量子资源来提升对外部信号或环境信息的探测能力。 其中一个研究方向是利用量子多体效应来制备对传感有用的纠缠态。例如，自发对称性破缺可以为可扩展自旋压缩态的制备提供自然机制，而这类状态能够降低量子投影噪声，从而提高测量灵敏度。再如，在具有量子混沌的系统中，外界的微小扰动可以被快速编码到系统的整体自由度中。这类信息 scrambling 过程可用于多参数传感。 除了传统的参数估计问题，我还对更广义的量子测量任务感兴趣，例如信号搜索、模式识别，以及对时间依赖或空间结构化信号的整体性质进行估计。在这些问题中，将量子传感与量子计算相结合，可能为实现新的量子优势提供途径。

相关成果：

原子分子平台中的量子信息、量子计算和量子控制

原子分子光物理系统为研究量子多体物理和量子信息科学提供了高度可控的平台，包括超冷原子、里德堡原子阵列、固态自旋缺陷和光量子系统等。这些平台具有良好的可调控性、可扩展性和高精度测量能力，使我们能够在微观层面设计量子系统的演化、操控量子态。 我关注如何结合量子多体物理、原子分子光系统平台的精密操控能力以及现代量子信息理论，设计更快、更灵活、更高保真度的量子操作。 具体来说，我希望利用受驱动动力学、量子信号处理和哈密顿量工程等思想，发展适用于可编程量子平台的控制协议。其中一个具体方向是在里德堡原子阵列等强相互作用系统中设计高保真度量子门。 此外，我也关注量子多体动力学和量子信息传播过程如何启发新的量子设备表征方法。

相关成果：

受驱动量子系统与 Floquet 预热化

受驱动量子系统是研究非平衡物理和实现量子控制的重要平台。周期驱动系统中的 Floquet 理论已经为哈密顿量工程、非平衡相和量子控制提供了有力框架。与此同时，许多现代 AMO 平台所能实现的控制方式远不止简单的周期驱动。 我的研究关注如何将传统 Floquet 工程推广到更一般的驱动协议，包括多频驱动、准周期驱动和非周期控制序列。这些更灵活的控制方式有望用于实现新的非平衡量子相，并发展更高效的哈密顿量工程方法。 我也对开放系统中的受驱动动力学感兴趣。在实际量子平台中，耗散、退相干和测量往往不可避免。理解驱动、相互作用、耗散和测量之间的相互影响，不仅有助于推进非平衡量子物理本身，也与量子计算、量子传感和量子控制的实际实现密切相关。

相关成果：

长时间量子动力学中涌现的流体力学与普适性

量子多体系统的微观演化通常非常复杂，但在长时间、大尺度下，许多系统会表现出相对简单的宏观集体行为。涌现流体力学正是这一现象的体现：许多局域观测量在粗粒化之后，可以用少数连续变量和有效动力学方程来描述，而这些描述往往具有很强的普适性。 我关心一些基本问题是：不同的微观相互作用会导致怎样的宏观动力学？哪些系统和物理量可以用流体力学来有效描述？哪些情形会偏离这种描述？对称性、守恒律、可积性和无序等因素又会如何影响长时间动力学？ 我也关注传统观测量的流体力学与信息动力学之间的关系。在混沌量子系统中，如何对信息和算符传播进行普适分类，以及它与能量、粒子数或自旋等传统守恒量的流体力学之间有何联系，是我感兴趣的问题之一。

就研究手段而言，由于精确描述大规模量子系统的长时间动力学通常非常困难，因此相关研究需要理论、数值和实验手段相互补充。 在理论方面，我希望发展更适合动力学问题的近似方法。例如，传统张量网络方法在描述非平衡动力学时通常依赖于截断低权重的纠缠成分。但在研究流体力学和长时间输运时，少体关联函数的准确性往往更为关键。因此，我感兴趣的是发展不完全依赖纠缠结构、而是基于局域观测量或关联函数的张量网络方法，或采取随机截断等新策略，以突破传统精确模拟在系统尺寸和演化时间上的限制。与此同时，创新和发展基于AMO平台的量子模拟方法，也是研究这些难以解析或数值模拟的动力学问题的重要途径。

相关成果：